北斗导航系统应用 杨元喜院士：北斗系统的创新一定要强调应用！

来源|南方测绘

在中国测绘学会2018年年会暨第八届测绘地理信息设备博览会期间，北斗导航系统副总设计师、中科院院士杨元熙带来了精彩的报告《北斗卫星导航系统新设计与可能的产业发展》，全面介绍了北斗全球卫星导航系统(BDS-3)的建设需求和发展进展，分析了其特色设计和可能的产业。以下为发言录音，未经发言人本人核实。

杨元熙院士在论坛上做了报告

重要的国家基础设施，

不要指望依靠西方各种成熟的PNT供应系统

北斗系统是国家PNT的核心基础设施，也是国家其他重要基础设施(如高铁、金融、民航等)的基础设施。).所有这些基础设施都依赖于PNT的导航和定位系统。

重要的国家基础设施不应依赖于西方各种成熟的PNT供应体系。依赖必须服从，依赖必须控制，依赖必须交学费，依赖必须看脸。甚至有西方大型国际公司派人坐在这里监督，说不给筹码，想靠都很危险。

非传统必须关注应用、用户、行业，

否则，北斗系统就没有市场地位

自建北斗卫星导航系统应该不会照搬西方的GPS系统，也不太可能。后期北斗系统可用的资源不多，GPS导航的关键频率黄金频率也差不多，频率资源极其有限。而且卫星导航的重要科技检测是受控的，这就需要我们创新，我们需要创新。同样，后期的北斗系统也要有自己的特色和设计。如果系统没有特殊功能，很难很好的利用。所以我说的特点应该是与众不同的，创新的，创新必须以应用、用户、行业为重点。否则北斗系统无法有市场地位。

2018年是中国北斗定位导航系统的关键一年。如果今年的任务能够完成，下面的任务也不会太难，系统应该能满足“一带一路”的基本应用。有了北斗BDS-1和BDS-2的基础，整个BD-3对我们来说是比较容易的，但是也有很大的难度，需要新的设计。2015年，北斗全球卫星导航系统测试系统，为了使BDS-3更加完善可靠，发射了实验卫星和三颗中轨道。测试了B、B2、B3、Bs四个频率，增加了Ka星间链路实现自主导航。如果不能实现自主导航，至少会增强我们的全球定位能力。搭载全新车载氢钟，现为新一代高性能操作控制。这次在BDS-3中测试了各种设计。

在BDS-3测试中，测试了四个频带。与BDS-2、BDS-2 B1、B3和B2相比，BDS-3 B2b、B2a+b和B2a。看看这个频率和GPS、伽利略、QZQQ、INSS有多少信号重叠。重叠是有害的，可能会相互干扰。但也有优点，可以互换使用。另一个好处是B2的频率一定要赶上伽利略E5的频率，这就是重叠的问题。

BDS-3的实验性能得到了很大的提高。星载铷原子钟的稳定性是E-14，比现在高一个数量级。BDS-2很可能是E-13。卫星、地面、站间时间同步可达0.14ns，卫星时钟2小时预测精度约为0.4ns，比BDS-2好得多。计时精度为10ns。星间链路和星地链路观测数据相结合的定轨精度可提高63.1%，轨道预测精度约为75%，这是星间链路支持的。

星间和星地联合预报的精度，IGSO已经通过了从0.4ns到0.3ns的测试，而原轨道卫星已经从0.1ns提高到0.5 ns，提高了54%左右。我说的是一种状态比较。当BDS-3和BDS-2进行全面的多径和卫星伪距误差比较时，我们会发现在同一个频段内，BDS-3的B1I和B3I是我们的设施，不存在与高度角相关的显著误差。比较BDS-2的B1l和B3l，我们会发现BDS-3的所有信号都随着卫星高度角而变化。更重要的是，BDS-2多径误差明显，BDS-3基本没有多径误差效应。B2a+b目前比B1C好很多。

总有一天，

我国北斗卫星导航系统在全球应用中不会发现明显的轨道系统误差

在基础设计方面，北斗卫星导航系统未来将拥有30颗卫星、3颗地球同步轨道卫星、3颗IGSO卫星和24颗中轨道卫星。目前在轨卫星14颗，2018年将有18颗MEO卫星。新增有效载荷，搜救SAR有效载荷，在空之间增加环境探测设备，有干扰定位探测，有电离层成像设备，相控阵Ka星间链路，还有激光星间链路。

欧盟，美国人，甚至俄罗斯人都在说你们的北斗卫星导航系统和我们的不一样。我多次向他们强调，北斗卫星导航系统和你们的一点区别都没有。这种差异是由轨道跟踪系统的误差造成的。我们其实溯源到UTC，但目前BDT理论上溯源，溯源到国际UTC。测量时差，赤道处最大误差为1mm。一般测量员不需要关注，但从事轨道研究的科研人员很少关注。

BDS-3的基本任务是区分两者。BDS-3背面正面颜色为红色，是BDS-3的新设计。

关于海上保安厅的法律，PNT符合国际法。我们有卫星增强系统，但不是国际上的。国际增强是独立的，我们的增强是嵌入北斗系统的。但即使BDS-3也是如此，其设计规格也不一样，BDS-3的设计与国际民航组织的标准不一致。结果是很强，所以中国做到了。他们说，我觉得脸红。不是因为中国人太多，没用。国际民航说，你能改变国际民航系统吗？你在中国缺钱吗？我们树立了一个标准。按照你的北斗系统标准，我会花十年时间来定一个标准。中国不需要。国内可能需要两三个人，半年时间才能做成。西方是严格的。他说是你付的钱吗？所以，不要指望整个事情都按照中国的标准来。区域短信系统有BDS-2和BDS-3，但功能有了很大扩展。我们有全球短信，是BDS-3和北斗精准单点定位PPP独有的。另外，在国际圆形SAR中加入了关键检测，这就是性能检测。

BDS-3基本服务

信号方面，B1I，B3I，B1C，B2a，B2b都可以服务定位。基于卫星的增强对B1C和B2a是试验性的，三个GeO提供服务。目前区域短信是RSMCS，l频和s频，一上传一下载三GEO；全球短信l上传，B2b下载；国际搜救约406MHz和1544.21MHz，6 MEO完成此任务；精密单点定位是B2b通道卫星，三个GeO，这是BDS-3的基础服务。

我们最简单的星座是星间链路支持的简单星座的轨道系统精度，径向轨道0.1-0.3m，切向轨道0.5-1m，法向轨道0.4-1.5m..但是用户不会有增益感，我强调用户没有增益感。BDS-3最简单系统的广播时钟误差约为1-2ns，1ns约为0.3米，1-2ns约为0.6米。这个记录是可喜的。个别卫星的时钟在个别时期有很大的干扰。

我们在空之间的信号精度目前在国内是0.3到0.65米，相当于地表的GPS。不重视，工作20年，过几天我们就和它一样好了。你可以这么说，但是没有自信，为什么？为了给全球用户一种收获感，说SISRE和我们的差不多是很厉害的。现在我们自己这么说。在中国，我们可以这么说，因为中国有这个精度。从表面上看，SISRE相当于GPS，但是GPS的平均精度是0.5米，我们国内的精度是0.3到0.5米。

如果我们用iGMAS来监控，我们的径向精度是0.4米，时钟差大约是0.7米。看SISRE记录大概1m。DBS-3卫星服务性能，三颗GEO和IGSO卫星，最佳观测几何位置在经度70-150和纬度-75-75之间，可以看到11-13颗卫星。BDS-3的PDOP是1.3-2.7，HDOP是0.7-1.5，VDOP是1.1-2.4。你想想，如果你用户的PDOP是1.1米，HDOP达到1.5米，那么VDOP可以达到2.4米，但是到现在还没有，所以用户体验不是很好。

自主定轨反映了空之间的坐标参考和时间参考，也反映了视角误差。那么定位反演的坐标系就可以定位在覆盖区域内。中国的北斗目前仅限于局部地区，在国际上我们无法保证良好的跟踪精度。

我们的地面操作和控制系统本身是脆弱的。一旦地面跟踪和星历注入丢失，精度就会下降。因此，BDS-3设计了星间链路，包括Ka和link，可以提高空的星间参考和时间参考，也为自主定轨奠定了坚实的基础。

在定轨方面，我们也做出了类似于无已知点导线网平差的方法，认为轨道先验模型是传递基准的合理选择之一。考虑轨道先验参数向量，对含有先验信息的轨道进行修正。可以看到，在72小时的ISL数据和iGMAS数据实验中，全球定轨的轨道设置为10M，现在正在做10M。现在正在跟踪精度、桩号I1S-M1S、I1S-M2S、I2S-M1S、M1S-M2S，由I1S、I2S、M1S、M2S四颗卫星定轨。结果如下:在下表中，采用四连杆时，轨道精度优于2M，轨道的径向精度、切向精度和法向精度分别优于0.6M、1.2M和2.1M。

根据轨迹残差计算的四个环节的误差小于0.005米，残差中存在显著的系统误差。而超越轨道是可以控制的，所以我准备下次向大家汇报这项工作。目前，在先前的轨道上仍有许多工作要做。

我们有一个基本的认识，不同轨道的星间链路比同一轨道平面的好，但总是跟踪同一轨道，可以减少卫星探测。还没有研究过。定轨结构是这样的。在弧段重复轨道位置差计算的RMS为1μ，GS为0.5米，RS+1SL为0.5米。是什么概念？全球跟踪可以用中国的本地跟踪+星间链接来实现。所以，总有一天，我们中国的北斗卫星导航系统在世界上不会发现明显的轨道系统误差。同样，BDS-3卫星24小时后的轨道预测精度也有较好的结果。RS是2米，轨道也是2米，不可能实现全球化。RS+1SL全球0.73m，预计24小时内达到0.73m，可提高64%。

没有创新设计就没有独特的北斗系统。

没有创新负载就没有自主可控的北斗系统。

同样没有特色的北斗系统，不会有北斗的特殊应用，也不会有北斗的市场

BDS-3目前的信号设计，B2a+b，B2a和B2b，写了两个设计。如果两者分开使用，那就是QPSK。如果用B2a+b就更好了。这是信号调整的模式，这是目前每个信号调整的模式条件。信号调制方式具有自主知识产权。

北斗三号操作控制系统有很多变化，尤其是云平台，前几年不是现在的，我们的操作控制系统有很多新的设计。消息通信设计是北斗区域通用消息和全球通用消息，是中国独有的。与BDS-2相比，BDS-3的区域总消息容量增加了10倍，用户传输功率降低到1/10，支持手机应用。全球短信由14个中东办事处提供服务。

北斗的短信可能会被广泛使用。短消息可以支持私人系统服务，包括导航、天气探测、汽车租赁以及参与其他全球无人驾驶飞行器和其他设备的能力。

这是一个简单的数据。如果发生险情，会发送到北斗卫星，北斗到地面站再到海上救援中心，然后救援中心会找出离你最近的船只可以直接定位搜索。符合国际基本标准，我们具备所有功能。我们有四颗云轨道卫星和四架轨道飞机来自动收集BDS合成孔径雷达服务。但我们有反向链接。反向链接是为了什么？它可以为我们的搜救和用户提供很大的帮助。它不需要那么紧张，也不需要一直发信号。不知道北斗有没有收到。当你发出信号时，它就会失去动力。当救援队到达时，它找不到你在哪里。现在就发一次，我们一收到就告诉你什么时候收到，多长时间救援，这样被搜救的人情绪就稳定了。

准确高效的搜救

同样，卫星之间的Ka链路和激光链路增加了数据传输功能和搜救效率。

在BDS-3 PPP服务中，区域消息可以通过同步卫星通过通用消息向用户发送正常信息。比如中国的监测站产生高精度的轨道和卫星钟差产品，为中国和周边地区服务。

BDS-3卫星基地增强，B1C和B2a增强，未来将增强4个系统。同样，我们有星间链路和自主导航，而Ka有激光链路。未来有可能保持直径外的精度，同步时间，自主导航，保证地面连通，为我们的搜救、全球搜救、全球通用消息提供巨大支持。

至于新的业务格式，我们已经谈到了精确管理。PNT目前用于小型蓝色汽车，北斗系统也用于mobike。北斗的短信自动检测功能可用于精准农业、房产管理、高压电站维护、故障监测。

BDS-3是在BDS-1和BDS-2的基础上开发的。北斗三号的性能明显优于北斗二号系统，多径效应明显减弱，星间支持未来全功能的发展，行业可以探索和应用这些功能。

北斗卫星导航系统作为国家PNT的基础设施，在国防和交通运输方面发挥了非常好的作用。BDS-3的新设计具有广泛的应用要求，以及广泛的研究空。没有创新设计，就没有特色北斗系统，没有创新负载，就没有自主可控北斗系统。同样，没有特色的北斗系统，也就没有特色的北斗应用和市场。所以所有有特色的设计一定要方便应用，不能太任性，为了与人不同而与人不同是荒谬的。给大家举个可笑的例子。喝水的话可以说大家都这么说。我在底部喝了一个洞。当然是创新。这种创新只是区别，不是创新，没有用；因此，我们认为创新必须强调应用。

北斗的创新设计为提升北斗的国际地位发挥了重要作用。然而，许多创新设计和新负载尚未发挥应有的作用。比如我们的卫星环境探测载荷还没有看到相应的结果；星对星链路和新的运行控制系统还没有发挥作用，北斗系统的创新必须与应用创新相配合，因此北斗应用不仅仅需要芯片。我们国家芯片公司太多了。不知道以后的市场会是什么样，在哪里卖。给谁？而且芯片利润很低。北斗不仅需要板卡和终端，更需要创新的应用思维。所以从事北斗应用开发的公司和同事，不仅要靠政府支柱，还要搞房地产。它需要我们的大脑来保持可持续性！

本文转载自《南方测绘》，

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